主給水管道橫向限制件螺栓斷裂研究

焦少陽， 鄭 越， 路曉暉

（中國核電工程有限公司， 北京 100840）

0 引言

某核電機(jī)組中的主給水管道橫向限制件頂部支撐板緊固螺栓（在現(xiàn)場裝配過程中，在利用電動力矩扳手?jǐn)Q緊螺母進(jìn)行安裝時(shí)，發(fā)生螺栓失效斷裂，螺栓斷裂位置位于橫向限制件通孔內(nèi)，具體如圖1 所示。

螺栓斷裂位置的形貌如圖2 所示， 可以看出在靠近螺桿連接處的第一個(gè)螺牙位置處發(fā)生了斷裂， 且斷裂面附近的螺牙已經(jīng)發(fā)生了較為明顯的變形。

由于緊固件承擔(dān)了核電廠安全系統(tǒng)和設(shè)備中的部件連接和支承固定等功能，其質(zhì)量與性能對于核電廠安全系統(tǒng)和設(shè)備執(zhí)行核安全功能有著重要影響。開展螺栓失效斷裂原因分析，不僅是加強(qiáng)緊固件質(zhì)量管控的要求，而且也是工程處理不符合項(xiàng)的需要。 為此，按照下列過程，開展螺栓失效斷裂原因分析：介紹螺栓設(shè)計(jì)要求（制造及安裝）→介紹螺栓加工制造過程→制定失效分析方案→分析試驗(yàn)結(jié)果→斷裂過程理論分析→結(jié)論及建議。

1 螺栓的設(shè)計(jì)、制造和安裝要求介紹

1.1 螺栓的設(shè)計(jì)要求

該螺栓為鉸制孔螺栓， 螺栓無螺紋部分與孔壁的基本尺寸相同，屬于過渡配合；當(dāng)被連接件有相對滑動時(shí)，依靠螺栓本身的抗剪作用，防止其運(yùn)動，因此一般只需要較小的預(yù)緊力[1]。而一般普通螺栓的螺桿部分直徑與其孔之間的基本尺寸一般不一樣（一般孔尺寸比螺栓尺寸大0.5mm～1mm），所以不屬于配合。 主要靠螺栓的預(yù)緊力防止被連接件的相對滑動和運(yùn)動；當(dāng)被連接件間有相對滑動時(shí)，預(yù)緊力便轉(zhuǎn)化為摩擦力，防止其運(yùn)動，因此需要較大的預(yù)緊力。 圖3 為未發(fā)生失效斷裂的鉸制孔螺栓尺寸及形貌。

圖3 鉸制孔螺栓尺寸及形貌Fig.3 The size and morphology of stranged hole bolt

1.2 螺栓的制造要求

該螺栓由制造單位按照圖紙要求進(jìn)行加工制造， 主要制造工藝包括采購原材料鋼棒、車削螺紋、磷化等，主要工藝過程如圖4 所示，制造過程的主要技術(shù)要求如下：

圖4 成品緊固件制造流程圖Fig.4 The flow-chart of the manufacturing of bolts

（1）首先采購直徑為70mm 的鍛軋鋼棒，鋼棒以熱處理狀態(tài)交貨（920℃進(jìn)行奧氏體化，并油冷；隨后在620℃進(jìn)行回火），并且需進(jìn)行入廠復(fù)驗(yàn)，復(fù)驗(yàn)測試項(xiàng)目包括：化學(xué)成分、力學(xué)性能（室溫拉伸、沖擊、硬度）、低倍組織、非金屬夾雜物檢測，超聲波探傷（UT）。

（2）待復(fù)驗(yàn)結(jié)果合格后，進(jìn)行機(jī)加工得到接近產(chǎn)品尺寸的螺栓坯料，然后對螺栓坯料進(jìn)行液體滲透檢測（PT）。

（3）液體滲透檢測合格后，車制螺紋，車制螺紋完成后，進(jìn)行磁粉檢測（MT）。

（4）磁粉檢測結(jié)果合格后，進(jìn)行磷化處理，并最終清潔包裝運(yùn)輸。

1.3 螺栓的安裝要求

該螺栓屬于鉸制孔螺栓，其安裝扭矩參照DIN267 緊固件交貨技術(shù)條件系列標(biāo)準(zhǔn)中8.8 級-M36 螺栓的要求給出，具體扭矩值為2450N·m。

螺栓實(shí)際安裝過程中，采用固定螺栓，利用電動力矩扳手?jǐn)Q動螺母的方式來緊固。實(shí)際安裝時(shí)，根據(jù)安裝要求，先預(yù)擰緊到30%設(shè)計(jì)扭矩（735N·m），然后再擰緊到60%設(shè)計(jì)扭矩（1470N·m），最后擰緊到設(shè)計(jì)扭矩（2450N·m）。

2 螺栓失效分析方案制定

分別從材料性能檢測、 斷口形貌分析和模擬安裝三個(gè)環(huán)節(jié)，設(shè)計(jì)系列試驗(yàn)，以分析螺栓的斷裂失效原因。

2.1 材料常規(guī)性能檢測

該失效螺栓是按照RCC-M M5140 采購的，為了驗(yàn)證材料本身是否存在問題， 參照規(guī)范要求設(shè)計(jì)了針對下列常規(guī)檢測項(xiàng)目，具體包括：

（1）常規(guī)化學(xué)成分（檢驗(yàn)原材料的冶煉質(zhì)量）。

（2）氫含量檢測（判斷是否為氫脆）。

（3）端口附近區(qū)域的非金屬夾雜物分析（檢驗(yàn)原材料的冶煉質(zhì)量）。

（4）橫截面酸浸低倍試驗(yàn)（檢測原材料的冶煉質(zhì)量）。

（5）金相組織分析（檢驗(yàn)熱處理是否合格），包括：橫截面、縱截面不同位置（表面或近表面、1/2 半徑、中心）的金相組織。

（6）硬度檢查（檢查力學(xué)性能的分布性）：沿徑向按等距離檢測HV 硬度（30 個(gè)位置），并換算成HBW。

（7）取小比例試樣進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn)（檢查失效螺栓的力學(xué)性能）。

2.2 針對失效螺栓的宏觀形貌和斷口微觀形貌分析

首先對失效螺栓的宏觀形貌進(jìn)行觀察， 然后測量斷口處的直徑，并和未發(fā)生斷裂位置的直徑進(jìn)行比較，以觀察斷裂位置是否發(fā)生塑性變形。

對斷口進(jìn)行SEM（掃描電子顯微鏡），以得到斷口的微觀形貌，從而有助于判斷材料的失效形式；同時(shí)亦可以判斷出斷裂表面是否存在原始缺陷，如機(jī)加工缺陷、熱處理缺陷等。

2.3 模擬裝配試驗(yàn)

模擬設(shè)計(jì)扭矩下的裝配試驗(yàn)： 該試驗(yàn)需要8 套連接副，每套連接副需要1 個(gè)螺栓，1 個(gè)螺母，2 個(gè)墊圈；進(jìn)行該系列試驗(yàn)，以驗(yàn)證設(shè)計(jì)扭矩取值是否合理，也有助于判斷現(xiàn)場安裝過程是否按規(guī)定要求執(zhí)行。

極限緊固扭矩（驗(yàn)證螺栓斷裂是否為超擰）：該試驗(yàn)需要2 套連接副； 進(jìn)行該試驗(yàn)主要目的是為了測試緊固件擰斷時(shí)的扭矩，同時(shí)觀察斷口形貌，是否和現(xiàn)場失效螺栓的斷口形貌一致。

3 檢測結(jié)果分析

3.1 原材料相關(guān)性能檢測

3.1.1 化學(xué)成分

采用直讀光譜儀對失效螺栓進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果如表1 所示， 材質(zhì)符合RCC-M M5140 中關(guān)于42CrMo鋼的規(guī)定。

表1 失效螺栓常規(guī)化學(xué)成分分析結(jié)果（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，Wt%）Tab.1 The chemical composition of the failure bolts（weight percent，Wt%）

另外，在失效螺栓表面及芯部取樣進(jìn)行氫含量檢測，結(jié)果如表2 所示。 可以看出失效螺栓的近表面位置氫含量高于內(nèi)表面，但是其含量均小于3ppm。

表2 失效螺栓中不同位置的氫含量分析結(jié)果Tab.2 The hydrogen content of the failure bolts at different position

對于碳鋼或低合金鋼緊固件， 往往在表面處理過程中的酸洗或電鍍中存在吸氫，氫將由表面進(jìn)入緊固件，并向內(nèi)擴(kuò)散，因此表面含量高于心部。 對于高強(qiáng)度緊固件，一般氫含量超過5ppm，將可能導(dǎo)致氫致應(yīng)力腐蝕開裂。

3.1.2 小比例試樣的室溫拉伸試驗(yàn)

從失效斷裂螺栓靠近頭部端， 根據(jù)GB/T 228.1-2010表D.1 中的規(guī)定截取直徑為5mm 的小比例試樣進(jìn)行室溫拉伸，試驗(yàn)結(jié)果如表3 所示。 根據(jù)表3，可知試驗(yàn)結(jié)果滿足RCC-M M5140 中關(guān)于42CrMo 鋼的室溫拉伸要求。

表3 失效緊固件上截取的圓形小比例試樣室溫拉伸結(jié)果Tab.3 Tensile test at room temperature of the small ratio specimen cut from the failure bolts

3.1.3 金相組織

圖5、 圖6 所示為失效螺栓斷口附近橫截面和縱截面的金相組織，均為回火索氏體，組織均勻，無異常。

自主學(xué)習(xí)是一種學(xué)習(xí)者在總體教學(xué)目標(biāo)的宏觀調(diào)控下，在教師的指導(dǎo)下，根據(jù)自身?xiàng)l件和需要自由地選擇學(xué)習(xí)目標(biāo)、學(xué)習(xí)內(nèi)容、學(xué)習(xí)方法并通過自我調(diào)控的學(xué)習(xí)活動完成具體學(xué)習(xí)目標(biāo)的學(xué)習(xí)模式。自主學(xué)習(xí)是以學(xué)生作為學(xué)習(xí)的主體，在教師科學(xué)指導(dǎo)下又不依賴于教師而主動獲取知識、整理知識、進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究、進(jìn)行課外研究等活動。

圖5 失效螺栓斷口附近橫截面（a）近表面，（b）1/2 半徑，（c）中心處Fig.5 The transversal-section metallography of failure bolts（a） near surface，（b） 1/2 radius，（3） center

圖6 失效螺栓斷口附近縱截面（a）近表面，（b）1/2 半徑，（c）中心處Fig.6 The longitudinal-section metallography of failure bolts（a） near surface，（b） 1/2 radius，（3） center

3.1.4 非金屬夾雜物

圖7 所示為失效螺栓斷口附近非金屬夾雜物形態(tài)，根據(jù)GB/T 10561—2005 規(guī)定， 判定為D 類球狀氧化物（細(xì)系）1 級，無異常。

圖7 失效螺栓斷口附近非金屬夾雜物形態(tài)Fig.7 The non-metallic inclusion of failure bolts

圖8 為斷口附近截取試樣的橫截面酸浸低倍組織，根據(jù)GB/T 1979—2001 規(guī)定， 判定為一般疏松0.5 級，無異常。

圖8 失效螺栓斷口附近橫截面酸浸低倍組織Fig.8 The transversal macro structures of the acid etch test

3.1.5 硬度檢測結(jié)果

在失效螺栓斷口附近橫截面由外到內(nèi)進(jìn)行梯度HV硬度試驗(yàn)， 同時(shí)按照GB/T 1172 進(jìn)行硬度轉(zhuǎn)換， 并得到HBW 結(jié)果，具體如表4 所示。根據(jù)RCC-M M5140 規(guī)范要求，42CrMo 螺栓的硬度應(yīng)為HBW248～352， 測試值均在要求之范圍內(nèi)。

表4 失效螺栓沿徑向梯度檢測結(jié)果Tab.4 The hardness test results along radial direction

3.2 螺栓斷裂形貌分析

3.2.1 宏觀形貌及尺寸分析

分別在失效螺栓斷口處以及遠(yuǎn)離斷口處沿不同方向測試螺紋直徑，結(jié)果如表5 所示。 根據(jù)表5，可以看出失效螺栓斷口處的螺紋直徑明顯小于遠(yuǎn)離斷口處的螺紋直徑，這表明螺栓在斷裂過程中發(fā)生了明顯的“縮頸”現(xiàn)象。

表5 斷裂螺栓螺紋直徑檢測結(jié)果Tab.5 The thread diameter measurement results

圖9 為失效螺栓斷口宏觀形貌，可以發(fā)現(xiàn)存在下列特征：①斷面粗糙，并存在明顯的銹蝕現(xiàn)象；②尾部斷面上存在明顯的沿逆時(shí)針法向的扭轉(zhuǎn)痕跡，表明螺栓在斷裂過程中受到了明顯的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力；③斷口表面存在呈錐形“火山口”的形貌，結(jié)合表5 中的尺寸，可知該“火山口”形貌是由于螺栓在發(fā)生軸向拉伸中，因塑性變成形成的纖維拉伸。

圖9 螺栓斷裂形貌Fig.9 The macro-morphology of failure bolts

3.2.2 斷口形貌的SEM 檢測

對靠近六角頭端的螺栓斷口，先用線切割切下來，然后放入丙酮溶液中利用超聲波清洗干凈， 然后進(jìn)行SEM觀察，以分析斷口的微觀形貌，具體結(jié)果如圖10 所示。

圖10 斷口微觀形貌Fig.10 The SEM micro-morphology of fracture surface

根據(jù)圖10，可以看出該斷口包含有均勻分布的等軸韌窩，同時(shí)對韌窩進(jìn)行放大，發(fā)現(xiàn)部分韌窩內(nèi)存在含Mn或氧化鋁的非金屬夾雜物，具體如圖11 和圖12 所示。

圖11 韌窩中存在的氧化鋁夾雜Fig.11 The aluminium oxide inclusion in the dimple

圖12 韌窩中存在的含Mn 夾雜Fig.12 The manganiferous inclusion in the dimple

斷裂韌窩的形成機(jī)制如下：材料在變形過程中，會在非金屬夾雜物周圍形成位錯(cuò)的堆積，并形成位錯(cuò)環(huán)；當(dāng)應(yīng)力平衡時(shí)， 在切應(yīng)力作用下位錯(cuò)環(huán)向界面移動并形成微孔，最后微孔擴(kuò)展并長大，并最后形成韌窩。 因此在斷裂韌窩中，一般會存在尺寸非常小的非金屬夾雜物。

3.3 扭矩驗(yàn)證試驗(yàn)

3.3.1 設(shè)計(jì)扭矩合理性驗(yàn)證試驗(yàn)

分別選擇8 套螺栓連接副，每套螺栓連接副包括1個(gè)螺栓、1 個(gè)螺母和2 個(gè)墊片，模擬現(xiàn)場施工過程。擰緊力矩的施加順序， 首先擰緊到規(guī)定扭矩的30%（735N·m），并停留1min；然后擰緊到規(guī)定扭矩的60%（1470N·m），并停留1min；最后擰緊到規(guī)定扭矩（2450N·m）。

8 套螺栓連接副經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證， 結(jié)果表明當(dāng)施加到最終扭矩2450N·m 時(shí)，螺栓未發(fā)生斷裂；當(dāng)卸掉夾緊力后，配套的螺母均可手動旋下，這表明螺栓未發(fā)生變形，否則螺母將不能手動旋下。

3.3.2 極限緊固扭矩試驗(yàn)

極限緊固扭矩試驗(yàn)是為了測試極限夾緊力或螺栓斷裂失效時(shí)的最大扭矩，在該試驗(yàn)中，由于產(chǎn)生的夾緊力較大，且螺栓斷裂時(shí)會對軸力傳感器產(chǎn)生影響，因此僅測量了螺栓斷裂失效時(shí)的施加扭矩。

為了模擬施工過程，首先加載到735N·m（對應(yīng)設(shè)計(jì)扭矩的30%），并保持1min；然后再加載到1470N·m（對應(yīng)設(shè)計(jì)扭矩的60%），并保持1min；最后一直加載，直至螺紋脫扣或發(fā)生斷裂。

分別測試了2 組連接副， 結(jié)果表明施加扭矩為3104N·m（1# 試樣）和3075N·m（2# 試樣）時(shí)，螺栓發(fā)生了斷裂；斷裂形貌如圖13、圖14 所示。 根據(jù)圖13 和圖14，可以看出斷裂面和圖4 相似，都具有明顯的“火山口”特征以及尾部端面的沿逆時(shí)針方向的扭轉(zhuǎn)痕跡。

圖13 1# 試樣的極限緊固扭矩試驗(yàn)后的螺栓斷裂表面Fig.13 The macro-morphology of the fracture surface after ultimate torque test of 1# specimen

圖14 2# 試樣的極限緊固扭矩試驗(yàn)后的螺栓斷裂表面Fig.14 The macro-morphology of the fracture surface after ultimate torque test of 2# specimen

另外，測量了失效螺栓斷口處以及遠(yuǎn)離斷口處沿不同方向的螺紋直徑，結(jié)果如表6 所示；可以看出：①斷口處的螺紋直徑均小于遠(yuǎn)離斷口處的螺紋直徑，表明均發(fā)生了“頸縮”；②極限緊固扭矩試驗(yàn)中斷口處的螺紋直徑與失效斷裂螺栓斷口處的螺紋直徑接近， 以及極限緊固扭矩試驗(yàn)中遠(yuǎn)離斷口處的螺紋直徑與失效斷裂螺栓遠(yuǎn)離斷口處的螺紋直徑測量結(jié)果也比極為接近，尤其是2#試樣。

表6 極限緊固扭矩試驗(yàn)后螺栓不同位置的螺紋尺寸Tab.6 The thread diameter at different position after ultimate torque test

4 原因分析

根據(jù)第3.1 的檢測結(jié)果， 可知原材料的化學(xué)成分、力學(xué)性能（屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、斷后伸長率、斷面收縮率）、金相組織、氫含量、非金屬夾雜物、酸浸低倍組織、HBW硬度檢測結(jié)果均為合格，這表明緊固件用42CrMo 原材料是合格的。 根據(jù)3.2 中斷口SEM 微觀形貌檢測結(jié)果，可知斷面呈等軸韌窩形狀， 同時(shí)對斷裂螺紋直徑的檢測結(jié)果（見表5），可知斷裂過程屬于塑性斷裂。 根據(jù)3.3 中扭矩驗(yàn)證試驗(yàn)，可知在設(shè)計(jì)扭矩2450N·m 安裝時(shí)，螺栓未存在斷裂甚至變形；而當(dāng)施加扭矩為3104N·m 和3075N·m 時(shí)，即相對設(shè)計(jì)扭矩超擰約25%，螺栓斷裂失效，宏觀斷面存在明顯的“火山口”特征和斷面“縮頸”現(xiàn)象，和實(shí)際斷裂面完全吻合。

經(jīng)與現(xiàn)場安裝單位實(shí)地核實(shí)，發(fā)現(xiàn)在實(shí)際安裝過程中，電動力矩扳手在擰緊過程中，發(fā)生“跳顯”故障，導(dǎo)致在安裝過程中發(fā)生了過擰，并最終導(dǎo)致螺栓發(fā)生了塑性斷裂。

5 結(jié)論

本文系統(tǒng)研究了某核電機(jī)組主給水管道橫向限制件支撐板緊固螺栓的失效斷裂原因，結(jié)果表明原材料合格、設(shè)計(jì)施加扭矩合理， 由于安裝過程中電動力矩扳手存在“跳顯”故障，導(dǎo)致實(shí)際安裝中存在超擰，并導(dǎo)致了螺栓斷裂。

通過該研究， 系統(tǒng)分析了緊固件的斷裂失效模式特征，包括塑性斷裂、脆性斷裂、疲勞斷裂和氫脆斷裂，該斷裂失效模式中的塑性斷裂和實(shí)際結(jié)果相吻合； 從而可為以后類似緊固件的失效斷裂分析提供理論指導(dǎo)。